砾砂地层盾构切削大直径群桩的刀具研究

刀盘刀具是盾构机实现切削功能并保证其顺利推进的主要部件,合适的刀具选型与设计在保证盾构机成功切削大直径钢筋混凝土群桩的过程中至关重要。依托沈阳地铁4号线盾构切桩工程,结合盾构穿越砾砂地层的工程特点以及切削大直径钢筋混凝土群桩的工程需求,对刀盘刀具进行选型,采用LS-DYNA软件模拟不同刃宽、刃角及前角的贝壳刀切削钢筋的效果。将分析结果应用于该工程,通过对比切桩前后既有隧道沉降变化规律论证刀具选型设计的合理性,并根据切桩后的贝壳刀磨损规律及盾构机排出钢筋情况,评估刀盘刀具切削效果,从而优化刀盘的刀具布置。研究结果表明:盾构刀盘采用面板+辐条复合式直角刀盘,切桩刀具采用前角-45°零后角、5 mm刃宽、90°刃角的双面刃贝壳刀,可提升盾构切桩效果;盾构切桩过程中既有隧道的变形波动控制在1.1 mm内,切桩完成后既有隧道的最大沉降仅为1.96 mm,未对既有隧道造成明显影响;刀盘布置贝壳刀时,应增加高度为210 mm的贝壳刀数量,尤其需要避免单个辐条上仅有1把高度为210 mm贝壳刀的情况,可有效提高刀盘刀具切削钢筋的能力并降低崩刃风险。刀具选型设计结果成功应用于沈阳地铁4号线切桩工程,可为今后类似工程提供参考。

高功率激光水平辐照花岗岩致裂成孔特性及成孔能效评价

针对当前硬岩隧道钻爆法施工钻孔速度慢、钻头损耗大的工程难题,使用高功率激光水平辐照硬岩快速成孔替代传统PDC钻头钻孔,开展高功率激光水平辐照花岗岩成孔的可行性试验,分析高功率激光水平辐照花岗岩的致裂成孔特性;通过单轴压缩试验、扫描电子显微镜(SEM-EDS)和X射线衍射仪(XRD)衍射试验分析激光作用前后岩石的力学性能和微观物相演变;综合对比激光射孔与PDC钻头钻孔的破岩速度和比能。研究结果表明:岩石表面在激光持续辐照后形成“类爆炸坑”,产生的熔融物在重力作用下堆积在孔底,吸收了孔底处大部分的激光能量,抑制了孔底岩石的热裂反应;岩石的纵向破坏受重力影响导致上下孔壁熔融物分布不均匀,随着激光持续辐照,岩孔中心将不断向下偏离光斑入射点;经功率为4.5 kW的激光水平辐照10 s后,岩样的单轴抗压强度从63.31 MPa降低至42.36 MPa,其原因是钠长石分解引起岩样中黑云母的质量分数增加;功率为4.5 kW激光射孔的破岩速度较PDC钻头钻孔的破岩速度提高95.03%,比能增加15.3%,证明了高功率激光水平辐照硬岩成孔的有效性。

风化岩土质的地铁基坑开挖仿真研究

为研究风化岩土质深基坑在开挖过程中的变形演化规律,以长沙市某地铁深基坑工程为依托,用PLAXIS 3D软件建立三维数值模型,分析基坑开挖深度、载荷位置、载荷大小对深基坑开挖过程变形的影响规律。研究结果表明:风化岩土质地铁基坑在开挖过程中,其形变主要发生在土层。当载荷20 kN/m^(2)且距离基坑为5 m时,围护桩的最大偏移0.72 mm;当载荷达到60 kN/m^(2)时,地表的最大沉降为70.90 mm。该结果可为类似风化岩土质基坑设计提供参考。

盾构刀具整体磨损状态识别研究

刀具磨损情况是影响盾构机掘进效率的重要因素,也是决定开仓换刀时间和频率的关键依据。针对盾构掘进过程中刀具整体磨损状态难以判断的问题,统计换刀点每把刀具磨损量与限定磨损量之间的关系,提出了3个磨损状态等级。在推导3种关键掘进参数(推力、扭矩和掘进速度)与单把滚刀切削分力理论关系的基础上,提出一种对掘进参数信号进行小波包分解以识别刀具整体磨损状态的方法。该方法以分解后的信号节点小波包系数标准差组成的特征向量作为磨损识别指标,通过敏感性分析找出对刀具磨损最敏感的节点特征向量,进而通过拟合分析确定磨损状态与磨损识别指标的函数关系。对深圳地铁14号线大运站至宝荷站区间工程实例的分析结果表明,该方法能准确识别盾构刀具的整体磨损状态,其中使用掘进速度信号进行识别的精度最高,推力次之,扭矩最低。该方法在使用中仅需对盾构机自动采集的掘进参数进行处理分析,不需要布置传感器,具有简便易行、成本低和精度高等优点,为及时开仓换刀提供了可靠依据。

考虑岩石细观结构的TBM滚刀破岩过程数值研究

为研究TBM滚刀的破岩机制,基于颗粒离散元方法与Voronoi元素,采用平行黏结接触模型与平节理接触模型,提出具有岩石细观结构特征的改进等效晶质模型,实现对TBM滚刀破岩过程的模拟。通过室内试验与数值模拟计算结果的对比分析,验证该改进等效晶质模型在滚刀破岩研究中的适宜性和可靠性。研究结果表明:滚刀破岩过程可分为4个阶段,即线性加载阶段、屈服硬化加载阶段、卸载阶段和残余跃进阶段;晶间张拉裂纹在总裂纹数中占主导地位,晶内裂纹是引起宏观裂纹产生的重要原因;随晶体平均粒径增加,岩石破碎程度与峰值破岩荷载均增大;随滚刀刀圈宽度增大,裂纹总数与晶内裂纹所占比例均增加,破岩峰值应力与破岩体积也增大。研究结果可为TBM滚刀刀头配置提供参考依据。

基于Bootstrap和GA-Elman的土质滑坡坡表变形区间预测

坡体变形是表征边坡稳定性最直观的指标。如何科学合理地解译其演化特征,对滑坡灾害预警防范具有重大的工程意义及科学价值。由于滑坡灾害的影响因素中,很多不确定因素都不可能完全准确地定量分析,只能从定性层面建立影响因素与坡体变形的关系,为了解决滑坡确定性预测方法中未考虑预测与数据误差的问题,量化滑坡点预测结果中的不确定因素的影响,依托滑坡坡表变形点预测方法,提出基于残差Bootstrap与GA-Elman神经网络的区间预测方法。相比于传统方法,通过变形伪数据集的建立、GA-Elman模型的迭代训练与总方差估计、ELM网络残差训练与随机误差方差估计等步骤创建的区间预测方法在预测可靠性、区间宽度、针对特殊变化坡体的预测灵活度等方面都有显著提升。利用Bootstrap重抽样模型、GA-Elman神经网络预测算法以及区间预测理论方法,建立基于Bootstrap和GA-Elman的滑坡变形区间预测模型。研究导致滑坡变形的不同影响因素、预测模型参数及置信区间等对于区间预测模型效果的影响,并运用到现场滑坡中。分析结果表明,所提出的方法可适用于现场滑坡,更好地将滑坡降雨等影响因素与坡体表观变形建立联系,为滑坡灾害的提前预警与防治提供可靠准确的信息支撑。

深厚软土狭长基坑地连墙变形特性

为研究南沙港地区软土深基坑内支撑式地连墙变形特性,以广州南沙港铁路明挖隧道深基坑为工程背景,通过大量实测数据统计分析,对比已有研究成果,探讨狭长基坑开挖墙体测斜、墙后地表沉降及其因素影响。结果表明:墙体测斜呈“两头小、中间大”的内凸型,最大侧移量主要分布在20~35 mm,占比高达83.6%,最大侧移变化范围为(0.07%H,0.38%H),平均值为0.22%H,相比宽大基坑的墙体抗侧移变形能力要强,其中H为基坑开挖深度。墙体最大侧移所在位置深度范围为(H-6,H+3),且大多数位于开挖面附近,墙体侧移主要影响深度范围约为2H,深度效应显著。墙后地表沉降主要影响范围为(0.17δ_(hm),1.60δ_(hm)),平均值为0.864δ_(hm),其中δ_(hm)为墙体最大侧移量。墙体最大侧移随墙底以上软土厚度增加呈缓慢增长趋势,随插入比和支撑刚度的增大而缓慢减小,当插入比和支撑刚度超出某一量值,继续增加对墙体变形控制无明显作用。可见,合理的围护体系设计对基坑变形控制至关重要。

干密度与含水率对标准砂抗剪强度的影响研究

抗剪强度是土的重要力学性质之一,是决定工程稳定性的关键因素。为研究砂土的强度特性,选取标准砂为试验材料,设计不同含水率与干密度水平的直剪试验,明确干密度与含水率对标准砂应力-应变曲线的影响,揭示其对标准砂抗剪强度特性的影响规律。研究结果表明:标准砂试样达到相同应变所需的应力随着标准砂的干密度及试验法向应力的增加而增加、随着标准砂含水率的升高而减少。在干密度为1.45cm^(3)与含水率为20%和25%的直剪试验中标准砂的应力应变曲线呈现出应变软化的特点,进一步分析表明标准砂的应力-应变曲线随着试样干密度增加、法向应力减小呈现出由硬化型应变向软化型应变转换的趋势。标准砂的抗剪强度随着干密度的增大而增大,随着含水率的增大而降低,其抗剪强度主要来源于材料颗粒之间的内摩擦角。在控制含水率不变的试验中内摩擦角随着干密度的增加依次增加0.54°,2.17°,1.99°和0.21°,呈现出平缓-陡峭-平缓的上升趋势;在控制干密度不变的试验中内摩擦角由含水率每降低1%降低0.5°降低至含水率每降低1%降低0.3°,随着含水率的升高呈现出陡峭-平缓的降低趋势。研究结果可以为与砂土相关工程的防灾预警等研究提供参考。

引水工程水下钻孔爆破水击波特性

为了深入研究水下钻孔爆破荷载作用下的水击波传播特性,以桂林市第二水源工程-引水工程项目为背景,采用动力分析软件COMSOL多物理场耦合模拟方法,建立水下钻孔爆破数值分析瞬态求解模型,研究爆炸荷载作用下的水击波等值面、水击波峰值应力及振动速度传播规律,并结合现场监测结果进行评价。研究表明:水下钻孔爆破荷载作用产生的水击波实质是以爆破点为中心向四周传播,水击波等值面随时间推移由规则圆球形向非规则椭球形演化;水击波在水中传播过程中快速衰减,随水介质速度阈值增加,水击波作用区域影响范围较小;水击波应力传播在爆破分段延时情况下的不同位置具有叠加效应,存在多个峰值,随爆心距的增加呈指数衰减规律,当爆心距越小,水击波峰值应力下降速度越明显;水击波振动速度随爆心距的增加呈指数衰减,当爆心距从28 m增加到108 m,水击波峰值振动速度衰减率达到96.3%,对构筑物影响甚小,同时水击波达到峰值速度出现的时间随爆心距的增加逐渐增大,表现出同步性。研究成果对理解水下钻孔爆破振动响应以及为类似工程经验积累及其爆破安全预防提供指导。

南沙港区深厚淤泥软土特性及空间异性研究

软土参数作为岩土工程勘察的关键指标,是研究软土特性及解决工程问题的前提和依据。以广州南沙港区深厚淤泥及淤泥质软土为研究对象,共收集371组室内试验及147组原位测试资料,采用数理统计方法及随机场理论对软土参数空间特性进行研究。结果表明:软土表现为“四高一低”,即含水量高、液限高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低,具有较强的区域性及空间异性,时空效应显著。建立了软土参数之间的经验公式,发现软土物理指标相比力学指标稳定性较好,变异系数较小,具有更强的相关性;随着软土深度的增加,含水量、孔隙比、压缩系数、液限及液塑性指数呈减少趋势,天然密度、压缩模量、强度指标及静力触探指标呈缓慢增长趋势,十字板抗剪强度呈先减少后增大趋势;自相关距离随探孔深度的增加无明显相关性,采用锥尖阻力指标能更好地反映土层的空间变异特性及试验结果的重现性,实现软土参数由“点”特征向“空间”特性的转变;提出了该区域软土判定标准建议值,为类似地区淤泥软土勘察设计、软基处理及施工提供参考。

地下连续墙岩溶侧壁稳定性分析方法

针对目前岩溶侧壁稳定性分析不完善问题,考虑地连墙浇筑溶洞侧壁压力分布规律及溶洞空间形态特征。首先,将岩溶侧壁简化为固支梁、抛物线及圆弧拱模型,推导出三种模型在梯形分布荷载作用下的最大弯矩计算公式,建立各模型的岩溶侧壁抗弯最小安全厚度计算方法;通过典型案例进行岩溶侧壁受压破坏影响因素分析,揭示了岩溶侧壁最小安全厚度随溶洞的矢高、跨度、岩石抗拉强度及埋深的变化规律;然后,构建了岩溶侧壁稳定性分析方法;最后,通过案例分析,确定了岩溶侧壁稳定性评价结果的合理性。结果表明:溶洞矢跨比为0~0.01时,可采用相对简单的梁模型进行计算;矢跨比为0.01~0.2时,抛物拱与圆弧拱模型计算所得最小安全厚度值差别较小。

GM(1,1)模型与指数模型在基桩沉降预测中的应用

以某大型基桩的沉降预测为例,利用灰色系统理论的GM(1,1)与Aeax曲线模型进行基桩在外荷载作用下沉降量的预测。结果表明:两种模型对于呈指数变化规律的系统能获得较好的预测结果;两种模型对基桩累计沉降的预测符合工程实际,对各级荷载作用下的本级沉降预测不够合理。对两种模型关系的研究表明,两者有内在联系,都属指数曲线预测模型,且指数曲线Aeax预测模型比GM(1,1)模型应用起来更简单,方便。

圆形断面隧道开挖引起的地表及岩土体的位移和变形计算研究

隧道开挖必然会对地表环境产生一些影响,使地表产生沉降和水平位移等。基于随机介质理论推导出隧道开挖引起的地表及岩土体移动和变形的一般公式,并对圆形断面隧道开挖进行专门研究,求得一般计算方程。由于该方程在数学上的积分困难,采用在水平方向进行积分,而在深度方向进行若干条分的方法,求得圆形断面隧道开挖引起的地表及岩土体的位移及变形的半解析解,并通过计算机编程实现计算,应用方便。最后根据地表保护分类等级,探讨隧道开挖对周围环境影响的安全评价问题,提出地表变形破坏准则,即当地下开挖引起的地表水平变形大于6mm/m时,可以认为是不安全的。通过工程实例,将理论分析结果和现场实测资料比较,二者较为吻合,说明所提出方法的可靠性,研究成果为减少隧道施工所造成的对地面建筑物和设施的损害提供理论依据并对隧道安全施工有一定的指导意义。

基于浆液稠度时空变化的盾构隧道壁后注浆扩散机制

研究考虑幂律水泥浆液稠度时空变化对盾构隧道壁后注浆扩散半径及力学性质影响。首先,针对不同水灰比水泥浆液进行稠度时变性试验,简要分析浆液稠度时变规律,并获取各水灰比水泥浆液稠度时变系数;其次,分析盾构隧道壁后注浆扩散机理,重点研究浆液扩散稠度时空分布不均匀性;再次,建立恒定注浆速率条件下,考虑浆液稠度时空变化不均匀隧道壁后注浆的扩散模型,并推导浆液压力及管片承压时间与空间的分布方程,确定浆液注浆压力的时变规律;最后,以实际工程为例,分析注浆终压与管片承受压力、浆液扩散半径及注浆浆液压强时空分布的关系,并对比分析考虑与不考虑浆液稠度空间分布不均匀性的扩散半径及管片受力结果。研究结果表明:浆液质点的压强随距离注浆孔位置增加而减小;当注浆终压较低时,注浆浆液扩散半径随注浆终压增大而迅速提高;盾构隧道管片注浆终压增大,管片所承受的注浆总压力迅速增大;不考虑浆液空间分布不均匀性所得注浆压力为正常值的60倍以上,所得浆液扩散半径约为正常值的1/3,管片承受总压力相差20倍以上。

水平荷载下横观各向同性弹性地基中位移计算

根据横观各向同性体的基本方程,运用应力函数、傅氏变换和傅氏逆变换理论,得出了横观各向同性地基在水平集中荷载作用下的基本位移解,然后利用积分的方法分别得出了横观各向同性地基在条形面积上水平均布荷载、水平三角形分布荷载及水平梯形分布荷载的位移计算公式,并利用实测的一组弹性参数,将横观各向同性地基中的相对位移与现有的计算理论给出的各向同性地基中的相对位移通过图形作了分析比较,得出了一些有益的结论,以供岩土工程设计人员参考.

横观各向同性地基本构模型研究

地基土形成过程中由于沉积作用大多具有横观各向同性的特点.利用数学、力学手段,采用坐标转换矩阵的方法,对横观各向同性地基的本构模型和模型中参数的选取作了一定的理论研究,可由横观各向同性面水平情况下的地基的本构方程直接推导出横观各向同性面倾斜情况下的地基的本构方程,而所需测的力学参数仍为垂直和平行横观各向同性面方向上的力学参数,数量没有增加,简单易用.得出了一些有益于工程实践的结论.所述理论可以解释地应力的水平应力分量不等的量测结果,同时由于考虑了地基土形成过程中的沉积作用,利用该本构模型计算地基在外荷作用下的应力、应变的响应问题,比均质各向同性理论更加符合实际情况.

CATIA-FLAC^(3D)耦合建模方法及其应用

针对FLAC3D面向复杂的地质模型建模存在的技术困难和不足,提出CATIA-FLAC3D耦合建模新方法。先利用CATIA强大的三维地质体建模功能进行三维地质建模,再利用其有限元模块对地质体进行网格划分;基于对两类软件中单元、节点数据关系的差异分析,应用Visual Basic语言编写CATIA-FLAC3D接口程序,实现了将CATIA环境下建模生成的单元、节点信息导入FLAC3D。以某已建成偏压隧道工程为例,验证了CATIA-FLAC3D耦合建模方法的可行性和有效性,为FLAC3D构建三维复杂工程模型提供了新的思路。

南沙港区软土狭长深基坑围护体系性状

为了阐明南沙港区软土狭长深基坑围护体系性状,对广州深厚软土地层采用地连墙加内支撑作为围护体系的狭长深基坑实测分析.研究结果表明,1)墙体最大侧移量δm的变化范围为0.07%H~0.38%H(H为开挖深度),平均值为0.22%H,最大侧移位置深度Hδm为H-6~H+3,且大多数位于开挖面以上. 2)墙体变形主要发生在第2、3层土体开挖阶段,其变形量分别占累积变形的32.6%、40.1%,基坑开挖具有深度效应,深基坑分层开挖对墙体变形控制非常重要,墙体变形主要影响深度约为基坑开挖深度的2倍,空间效应显著. 3)墙体竖向钢筋应力与侧斜位移变化特性基本相似,随着基坑深度开挖,最大值位置逐渐下移,揭露了墙体变形与应力动态调节过程.4)支撑轴力在支撑架设后历时2周左右即达到最大值,随基坑开挖表现出即时性,多层支撑结构的各支撑轴力大小随着基坑开挖支护过程动态调整以协调变形发展,当基坑开挖完成,最终趋于稳定的钢筋混凝土支撑轴力约为设计值的0.73倍,第1、2道钢支撑轴力分别为其设计值的0.40、0.31倍,钢支撑设计偏保守,在保证基坑稳定的前提下,可以考虑支撑方案优化设计.研究成果对后续该地区同类基坑安全预判以及指导类似工程设计和施工参数优化具有重要的现实意义.

圆拱形断面隧道开挖对周围岩土环境安全评价

基于随机介质理论研究了圆拱形断面隧道开挖对周围岩土体的影响问题,推导了隧道上覆岩土体移动及变形的计算公式,对其求解方法进行了一定的探讨,获得了该问题的半解析解,并编写了相关计算机程序。提出了随机介质变形破坏判据,并应用于隧道开挖对周围岩土环境的安全评价中。通过工程实例,理论预测结果和现场实测资料比较吻合,证明该地表移动及变形预测方法的可靠性及周围岩土环境的安全评价方法的可行性。

水平荷载作用下横观各向同性地基力学性态研究

根据横观各向同性体各向同性面为水平时的本构方程,推导出了横观各向同性面倾斜时的本构方程,并由此得出了横观各向同性地基的自重应力计算公式以及在各种水平荷载作用下地基中的附加应力解析解。通过实例计算,发现横观各向同性地基与各向同性地基力学性态的差异之处,并从自重应力角度较好地解释了水平应力大于竖直应力和水平应力的各向异性的重要实测现象,得出了一些有益于工程设计的结论。